陳 嵐,董德存

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院)

1 引入計(jì)量學(xué)的意義

交通學(xué)科是一門年輕的學(xué)科,生機(jī)勃勃,有良好的發(fā)展前景和重要的研究意義,同時(shí)正因?yàn)槠淠贻p,必然存在著一些問題,如下的幾個(gè)問題:

第一、數(shù)據(jù)處理主要采用經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型,存在較大的誤差和局限性,如四階段模型中的交通需求預(yù)測(cè),主要還是采用集計(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?產(chǎn)生較大誤差,影響后期的交通規(guī)劃效果;

第二、根據(jù)與其它學(xué)科的相似性,應(yīng)用其他學(xué)科的理論解釋交通中的現(xiàn)象,如用流體力學(xué)的理論解釋交通流的流量、密度、速度關(guān)系,缺少了交通特有的性質(zhì)和交通流中人的影響因素;

第三、交通分析大部分停留在定性分析或定性與簡(jiǎn)單定量分析結(jié)合的階段,如交通風(fēng)險(xiǎn)控制和管理中,交通研究學(xué)者通常知道了交通中存在哪些風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)的大致影響程度,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行的控制及管理,缺乏各種風(fēng)險(xiǎn)的具體影響程度及相互影響關(guān)系的分析,難以制定出有的放矢的控制管理措施。

這些問題都顯示出現(xiàn)有的交通理論研究數(shù)學(xué)化程度不夠,偏向經(jīng)驗(yàn)主義,定量分析手段及方法缺乏,需要更好的理論和手段對(duì)其進(jìn)行研究和分析,而計(jì)量學(xué)是顯示和建立以數(shù)字來評(píng)述所研究的客體、現(xiàn)象和過程(它們經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)加工,為揭示相應(yīng)屬性的數(shù)量程度建立了基礎(chǔ))的系統(tǒng)。

基于計(jì)量學(xué)的特點(diǎn)及現(xiàn)有交通理論研究的問,將計(jì)量學(xué)引入交通學(xué)中一方面可以使交通學(xué)更為數(shù)學(xué)化,從定性研究轉(zhuǎn)向定量描述從而認(rèn)識(shí)交通的本質(zhì);另一方面,計(jì)量學(xué)與交通學(xué)的相互滲透使得交通理論的研究手段和方法更為豐富;同時(shí),交通本來就是一個(gè)比較綜合的學(xué)科,不斷地學(xué)科交叉和學(xué)科引入會(huì)使得交通學(xué)的發(fā)展更為蓬勃和系統(tǒng)更為完善。

2 計(jì)量交通學(xué)的概念及本質(zhì)

隨著國(guó)外計(jì)量學(xué)及分析方法的不斷發(fā)展與革新,其在交通中的應(yīng)用已逐漸為人們所關(guān)注,同時(shí)逐漸形成交通研究領(lǐng)域的一個(gè)新方向——Traffic Metrics,本文引入該概念并將其命名為“計(jì)量交通學(xué)”,同時(shí)給出相應(yīng)的定義——以一定的交通理論和交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ),運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,以建立交通計(jì)量模型為主要手段,揭示各種交通現(xiàn)象的數(shù)量關(guān)系及其規(guī)律性。在該定義中,交通理論是指導(dǎo)思想,統(tǒng)計(jì)資料是基礎(chǔ),數(shù)學(xué)模型是工具。

雖然現(xiàn)在的交通理論研究中也有用數(shù)學(xué)方法探討交通現(xiàn)象,但這不能與計(jì)量交通學(xué)混為一談,因?yàn)橛?jì)量交通學(xué)并不是將數(shù)學(xué)應(yīng)用于交通學(xué)的同義詞,也不是簡(jiǎn)單的對(duì)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。可以說,統(tǒng)計(jì)學(xué)、交通理論和數(shù)學(xué)這三種觀點(diǎn)對(duì)真正了解現(xiàn)代交通中數(shù)量關(guān)系來說,每一種觀點(diǎn)都是必要的,但本身并非充分的條件。三種理論的有機(jī)結(jié)合才有力量,這種結(jié)合便構(gòu)成了計(jì)量交通學(xué)。

3 計(jì)量交通學(xué)內(nèi)容與主要研究方面

3.1 計(jì)量交通學(xué)內(nèi)容

計(jì)量交通學(xué)是數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、交通學(xué)三者的有機(jī)結(jié)合,旨在運(yùn)用計(jì)量分析的方法提供交通理論的數(shù)學(xué)程度、提供交通預(yù)測(cè)、規(guī)劃、管理、控制的定量分析手段與模型。計(jì)量交通學(xué)的內(nèi)容由四個(gè)部分組成,這四個(gè)組成部分亦即計(jì)量交通學(xué)研究的四個(gè)步驟:第一,建立模型;第二,估計(jì)參數(shù);第三,驗(yàn)證理論,第四,實(shí)際應(yīng)用。

第一、建立交通計(jì)量模型、確定計(jì)量變量

建立交通計(jì)量模型,就是根據(jù)交通理論和假定條件,分析選擇適合研究對(duì)象或研究理論的計(jì)量分析方法和模型,根據(jù)已確定的計(jì)量分析方法和模型確定合適的計(jì)量變量以及變量數(shù)學(xué)表示形式,建立相應(yīng)的基本方程或者基本方程體系,借助方程體系表明各交通變量及相關(guān)變量之間的相互關(guān)系。

第二、估計(jì)參數(shù)值

根據(jù)交通理論建立起來的交通模型是參數(shù)未定的模型,亦即理論模型。要使理論模型變成能夠運(yùn)算的計(jì)量模型,就必須求出各參數(shù)值。估算參數(shù)值是計(jì)量交通學(xué)中計(jì)算量最大、計(jì)算過程最復(fù)雜、模型建立最關(guān)鍵的內(nèi)容。如何估算參數(shù)值呢?簡(jiǎn)言之,就是根據(jù)一定時(shí)期調(diào)查、收集而來的實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法如最小二乘法、最大似然估計(jì)法、矩估計(jì)法等等方法求出方程式中的各個(gè)參數(shù)值。

第三、驗(yàn)證理論模型

根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)于統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)的理論和方法,驗(yàn)證已經(jīng)估算出參數(shù)值的模型所包含的變量(有哪些變量)、變量的結(jié)合形式(方程的具體形式)、變量的結(jié)合程度(參數(shù)的具體數(shù)值)等等能否代表客觀情況,從而判斷理論模型是否正確反映客觀實(shí)際,符合交通現(xiàn)象,以便對(duì)所研究之理論進(jìn)行取舍或修正。

第四、實(shí)際應(yīng)用,解決交通問題

對(duì)已經(jīng)估算出參數(shù)值的模型求出其被解釋變量數(shù)值的解式,將估算的參數(shù)值和已知的解釋變量數(shù)值代入解式,就可得出被解釋變量的數(shù)值,從而在實(shí)際的交通活動(dòng)中進(jìn)行應(yīng)用,對(duì)交通現(xiàn)象進(jìn)行分析并進(jìn)行理論研究,以解決實(shí)際交通問題。

3.2 計(jì)量交通學(xué)研究的初步方面

基于計(jì)量學(xué)在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等不同領(lǐng)域有成功應(yīng)用背景,針對(duì)前文現(xiàn)有交通理論研究存在的問題,計(jì)量交通學(xué)的初步研究方面有以下三點(diǎn),但隨著計(jì)量學(xué)的發(fā)展及在交通領(lǐng)域的成熟運(yùn)用,其研究的方面一定會(huì)大大擴(kuò)展,令計(jì)量交通學(xué)如同計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)、計(jì)量醫(yī)學(xué)一般蓬勃發(fā)展。

(1)交通需求預(yù)測(cè)

交通需求的預(yù)測(cè),一方面隨著時(shí)間不斷變化,另一方面同一時(shí)段不同地區(qū)的交通需求相互影響、不斷變換,如果只研究某一地區(qū)在不同時(shí)間上的交通流量及相關(guān)數(shù)據(jù),即采用時(shí)間序列數(shù)據(jù),可以分析該地區(qū)交通需求與該地區(qū)人口變化、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系,但卻無法分析相鄰地區(qū)因素變化對(duì)該地區(qū)交通需求的影響;如果只研究同一時(shí)間各地區(qū)的交通流量與相關(guān)數(shù)據(jù),即采用截面數(shù)據(jù),則可以得到相鄰地區(qū)因素變化對(duì)該地區(qū)交通流量的影響,但卻不能得到該地區(qū)交通流量增長(zhǎng)與該地區(qū)人口變化、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系?；谶@種情況,通過對(duì)交通流量歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)地區(qū)周邊相鄰地區(qū)的交通流量歷史數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì),建立面板數(shù)據(jù)庫,選擇計(jì)量分析方法中面板數(shù)據(jù)模型,進(jìn)行交通需求預(yù)測(cè),不僅可以得到交通流量隨時(shí)間的變化特性,同時(shí)還可以補(bǔ)充不同地區(qū)交通流量變化對(duì)預(yù)測(cè)地區(qū)的影響和聯(lián)系。

(2)交通流理論研究

基于現(xiàn)有的交通流密速模型,將該模型結(jié)合非參數(shù)估計(jì)方法,將道路特性、交通參與人員特性等變量引進(jìn)交通流模型中,建立已知模型與非參數(shù)模型相結(jié)合的半?yún)?shù)計(jì)量估計(jì)模型,從而令交通流模型脫離流體力學(xué)的背景,更強(qiáng)調(diào)交通中人的作用,使得交通流模型更加符合交通流的實(shí)際意義,為各種相關(guān)交通研究提供有利的支持。

(3)交通風(fēng)險(xiǎn)控制研究

在現(xiàn)有的交通風(fēng)險(xiǎn)控制與研究理論中,由于對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)因素引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)后果并不了解,相互之間的數(shù)學(xué)關(guān)系比較模糊,導(dǎo)致目前交通風(fēng)險(xiǎn)研究主要停留在定性分析階段。針對(duì)這一狀況,采用計(jì)量分析方法中的非參數(shù)模型的,通過模型的建立與計(jì)算,確定各種交通風(fēng)險(xiǎn)引起交通事故的影響大小、預(yù)測(cè)交通事故發(fā)生后的風(fēng)險(xiǎn)損失程度,將交通風(fēng)險(xiǎn)控制提升到定量分析的層面,并根據(jù)定量分析的結(jié)果就不同大小的風(fēng)險(xiǎn)因素采取相應(yīng)的控制和管理措施,使各項(xiàng)控制和管理措施達(dá)到最優(yōu)的效果。

綜上所述,我們可將計(jì)量交通學(xué)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容及其作用歸納如圖 1所示。

圖 1 計(jì)量交通學(xué)的研究框架

4 結(jié) 語

數(shù)學(xué)化和學(xué)科交叉是未來科學(xué)發(fā)展的方向,交通學(xué)作為一門綜合學(xué)科更是需要量化和學(xué)科滲透,計(jì)量交通學(xué)是交通未來發(fā)展的必然產(chǎn)物,它的出現(xiàn)定將令交通理論研究更趨于數(shù)學(xué)化,考慮交通系統(tǒng)中人的因素,使得交通理論研究水平不斷提升。

[1] 焦國(guó)安,金霞,楊菲,等.中美城市交通模型現(xiàn)況評(píng)估[J].城市交通,2008,6(2).

[2] 周商吾.交通工程[M].同濟(jì)大學(xué)出版社,1987.

[3] 吳兵,李曄.交通管理與控制[M].人民交通出版社,2005.

[4] Yaron Ostrovsky-Berman.The transportation metric and related problems.Information Processing Letters,2005.